一种使用单像素探测器的光学成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种使用单像素探测器的光学成像方法，目标物体的图像用离散化的像素表示，大小为一个M×N像素的矩阵，其特征在于：用余弦结构光场发生器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，每一组频率对应有至少三个不同的初位相φ值，将这些不同频率、不同初位相的余弦分布光场，依次照射目标物体，用光探测器依次接收来自目标物体的光强信号，再依次采集记录光探测器的响应值，根据响应值获得目标物体图像的傅立叶变换谱，对傅立叶变换谱进行二维离散反傅立叶变换，重建目标物体的图像。本发明采用具有确定的数学函数解析表达的余弦空间结构光场，在此基础上，构建图像解析重建算法，可以大幅减小测量次数，获得高质量重建图像。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学成像【技术领域】，特别涉及使用单像素探测器的光学成像方法。 一种使用单像素探测器的光学成像方法
【背景技术】
[0002] 图像是人类最主要的信息源，光学成像是获取图像的一种主要方式。一个光学成 像系统一般由照明单元和探测单元两部分构成。传统光学成像系统对一个非发光的目标物 体进行光学成像，一般是将稳定的照明光场照射该物体，再利用透镜将物体表面的反射光 汇聚成像在光敏单元成二维分布的光敏器件（如摄影胶片、面阵CCD、面阵CMOS等）上，形 成目标物体的图像。透镜和光敏器件的性能是影响成像质量主要因素。图像的分辨率受制 于光敏器件像素单元的尺寸和透镜的性能。为了追求更高的图像分辨率，光敏器件单个像 素的尺寸应更小。然而，制造更小的像素尺寸在工艺上有困难，且会降低信噪比。另外，光 敏器件的光谱特性对一些特殊光波段的成像具有较大困难，如目前基于硅基半导体的CCD、 CMOS等成像器件等，在红外、太赫兹、X射线等波段的成像存在局限。在经典成像模型中，只 有直接从目标物体射出并进入透镜的光线，带有目标物体的空间分布信息，能被透镜汇集 成像；而从目标物体射出，又经其它介质散射后进入透镜的光线，失去了目标物体的空间分 布信息，对成像无任何贡献，且形成图像的噪声。因此基于经典成像模型的传统相机对隐藏 在散射介质后的目标物体的成像（如隔着毛玻璃成像），具有非常大的困难。
[0003] 近年来，一种在成像机理上和传统成像技术有着本质区别的单像素成像技术， 有可能突破经典成像模型在一些特殊成像领域的局限性，越来越受到人们的重视。该 技术利用单像素光敏器件（如单个光电二极管）获得的成像信号，通过计算机计算实 现成像，也称计算成像技术。单像素成像技术最早源于利用量子纠缠效应的鬼成像技 术[Τ· B. Pittman, Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement. Physical Review A. 52, R3429(1995)·]，后来发展出利用热光的单像素鬼成像技术 [R. S. Bennink, S. J. Bentley, R. ff. Boyd, "Two-Photon" coincidence imaging with a classical source. Physical Review Letters. 89, 113601 (2002);陈明亮等，基于稀疏 阵赝热光系统的强度关联成像研究，光学学报，32卷，5期，0503001,2012]以及基于压缩 感知的单像素成像技术[M. F. Duarte, M. A. Davenport, D. Takhar, J. N. Laska, T. Sun, K. F. Kelly, R. G. Baraniuk, Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling. IEEE Signal Processing Magazine. 25,83-91(2008);陈涛，应用压缩传感理论的单像素相机成像系统， 光学精密工程，20卷，11期，2523-2530页，2012]。
[0004] 尽管单像素成像技术的研究已超过十年时间，但就成像质量而言，远没有达到目 前传统光学成像系统的水平。对基于热光源的经典关联特性的单像素鬼成像技术而言，目 前采用的热光源，一般是用激光束通过一毛玻璃或用投影仪生成的散斑光场；而对基于压 缩感知的单像素成像技术而言，用来进行压缩感知测量的测量矩阵，要求是稀疏表示的随 机矩阵。不管是散斑光场还是随机矩阵，都不能用确定的数学函数解析表达，那么与之对 应的图像重建算法也不是建立在具有严格解析表达的数学模型基础上，利用基于相关统计 数学模型的图像重建算法。基于热光源的经典关联特性的单像素鬼成像技术，需通过高达 百万次的测量值重建图像，而利用压缩感知理论，可以适当减小测量次数。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决目前单像素成像技术的成像质量不高的现状，提出一种 高成像质量的使用单像素探测器的光学成像方法，其技术核心为采用具有确定的数学函数 解析表达的余弦空间结构光场取代热光源鬼成像技术中的散斑光场，在此基础上，构建图 像解析重建算法，可以大幅减小测量次数，获得了高质量重建图像。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种使用单像素探测器的光学成像方法，目标物体的图像用离散化的像素表示， 大小为一个MXN像素的矩阵，目标物体的实际大小为Μ δ χΧΝ δ y的一个矩形，其中Μ、N为 正整数，S χ、δ y分别为一个像素在x、y方向的几何尺寸；其特征在于：用余弦结构光场发生 器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，该光场在目标物体所在平面的光强分布表示 为：
【权利要求】
1. 一种使用单像素探测器的光学成像方法，目标物体的图像用离散化的像素表示，大 小为一个MXN像素的矩阵，目标物体的实际大小为Μ δ χΧΝ δ y的一个矩形，其中Μ、N为正 整数，δ χ、δ y分别为一个像素在x、y方向的几何尺寸；其特征在于：用余弦结构光场发生 器生成一系列频率不同的按余弦分布的光场，该光场在目标物体所在平面的光强分布表示 为：P(x, y ;fx, fy) = a+b ?cosO π fxx+2 π fyy+(J))，其中a是余弦光场的平均光强、b是对比 度，a、b取正数；x、y是目标物体的像素点坐标，x取0?M-1之间的整数、y取0?N-1之 间的整数；fx、fy分别是x、y方向的频率，fx、fy用归一化频率表示为
，其中α为-- Μ-1之间的整数、β为0?Ν-1之间的整数；Φ是初位相；每一组（fx，fy)频率对应有至少 三个不同的初位相Φ值，将这些不同频率、不同初位相的余弦分布光场，依次照射目标物 体，用光探测器依次接收来自目标物体的光强信号，再依次采集记录光探测器的响应值，根 据响应值获得目标物体图像的傅立叶变换谱D fp (fx，fy)，对傅立叶变换谱Dfp (fx，fy)进行二 维离散反傅立叶变换，重建目标物体的图像I (x，y)。
2. 根据权利要求1所述的使用单像素探测器的光学成像方法，其特征在于：每一组 (fx，fy)频率对应有Q个等步长初位相：
为大于或等于 3的整数，光探测器依次接收到来自目标物体光强信号的响应值分别表示为成匕以、 Di (fx，fy)、…、Dh (fx，fy)，依据公式：
获得目标物体图像的傅立叶变换谱Dfp (fx，fy)，其中j是虚数单位。
3. 根据权利要求1所述的使用单像素探测器的光学成像方法，其特征在于：每一组 (fx，fy)频率对应有三个初位相，初相位分别为
?光探测器依次接收到来自目 标物体光强信号的响应值分别表示为屯(fx，fy)、D2 (fx，fy)、D3 (fx，fy)，依据公式： Dfp (fx, fy) = [2D2 (fx, fy) -D! (fx, fy) -D3 (fx, fy) ] + j · [D3 (fx, fy) -D! (fx, fy)] 获得目标物体图像的傅立叶变换谱Dfp (fx，fy)，其中j是虚数单位。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的使用单像素探测器的光学成像方法，其特征在于： 依据公式
对傅立叶变换谱Dfp(fx，fy)进行二维离散反傅立叶变换。
【文档编号】G01B11/25GK104154878SQ201410367541
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】钟金钢, 张子邦, 马骁 申请人:暨南大学